當(dāng)量比對(duì)CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃燒特性的影響

孫 震，湯 卓，劉 宇，趙 歡，曾 文，鄧康耀

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省航空推動(dòng)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136;2.上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

近年來(lái)，隨著全球航空燃油需求的不斷增長(zhǎng)以及石油資源的日趨緊缺，國(guó)際石油價(jià)格持續(xù)上漲。與此同時(shí)，航空煤油等碳?xì)淙剂系拇罅肯囊舱诩觿∪驕厥倚?yīng)[1]。因此，為減少對(duì)化石燃料的依賴，實(shí)現(xiàn)航空減排，尋求和開發(fā)航空替代燃料已成為全球航空業(yè)當(dāng)務(wù)之急[2-3]。

CH4具有存儲(chǔ)豐富、價(jià)格便宜、燃燒排放少以及能夠保證火災(zāi)爆炸安全等諸多優(yōu)勢(shì)，是極具潛力的航空煤油替代燃料。但CH4熱值低、燃點(diǎn)較高、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，對(duì)其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用十分不利[4]。為避免CH4燃料以上缺點(diǎn)，目前，研究人員提出將CH4/RP-3航空煤油混合燃料作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料以獲得動(dòng)力，但要對(duì)其混合燃料燃燒特性進(jìn)行研究，才能根據(jù)其特性進(jìn)行相關(guān)的燃燒室設(shè)計(jì)與研發(fā)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)甲烷以及多種航空煤油燃料的燃燒特性開展了大量研究。在甲烷燃燒特性方面，梁雙[5]、謝烽[6]等人在定容燃燒彈中對(duì)甲烷燃料的燃燒特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)馬克斯坦長(zhǎng)度隨著當(dāng)量比的增加而增加，無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c層流燃燒速率出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，并在當(dāng)量比為1.1時(shí)達(dá)到最大。在航空煤油燃燒特性方面，F(xiàn)ar等[7]在定容燃燒彈中對(duì)JP-8/空氣混合氣的預(yù)混燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，容彈中的火焰隨著當(dāng)量比從0.8增大到1.0，火焰前鋒面更容易出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)；Ma Hongan[8]、張存楊[9]等人對(duì)國(guó)產(chǎn)RP-3航空煤油的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比增加，馬克斯坦長(zhǎng)度會(huì)減小，層流燃燒速度會(huì)先增加后減小，且最大層流燃燒速度是在當(dāng)量比為1.2工況下測(cè)量得出。到目前為止，國(guó)內(nèi)外研究多集中在單組分燃料上，缺少對(duì)CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃燒特性的研究。

當(dāng)量比、初始溫度、初始?jí)毫κ怯绊懭剂先紵€(wěn)定性及層流燃燒速度的重要因素[10]，本文利用定容燃燒反應(yīng)裝置對(duì)20%和80%兩種甲烷含量的CH4/RP-3航空煤油混合燃料在初始溫度480 K、初始?jí)毫?.1 MPa、當(dāng)量比0.7～1.5工況的燃燒特性進(jìn)行研究，并分析當(dāng)量比對(duì)CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃燒特性的影響規(guī)律。初始溫度和初始?jí)毫?duì)CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃燒特性的影響將在今后陸續(xù)展開。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及操作方法

定容燃燒反應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示[11]，該裝置包括定容燃燒彈、點(diǎn)火系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、高速攝像與背影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。定容燃燒彈兩端裝有厚度80 mm、直徑130 mm的石英玻璃窗，形成光學(xué)通路。本實(shí)驗(yàn)采用拍攝速度為10 000 幅/秒的高速攝像機(jī)拍攝CH4/RP-3航空煤油混合燃料火焰發(fā)展圖片。

本文中RP-3航空煤油與甲烷的部分物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。本文根據(jù)RP-3航空煤油分子量和碳、氫含量百分比計(jì)算出RP-3航空煤油平均分子式為C10.451H19.591。

實(shí)驗(yàn)中，首先根據(jù)分壓定律依次計(jì)算RP-3航空煤油、CH4、O2和N2的氣態(tài)分壓，制定配氣表；其次，利用加熱系統(tǒng)將定容燃燒彈加熱到指定溫度，再用真空泵將彈體抽成真空；然后通過液體燃料注射閥將RP-3航空煤油注入彈體內(nèi)，液態(tài)RP-3航空煤油會(huì)瞬間氣化，再通過進(jìn)氣系統(tǒng)依次向燃燒彈內(nèi)充入CH4、O2與N2，分別達(dá)到指定分壓；最后，待氣體混合均勻，通過電極點(diǎn)火，同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)對(duì)火焰發(fā)展進(jìn)行拍照。

為了驗(yàn)證混合氣是否混合均勻，在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)前，對(duì)其中一種工況進(jìn)行了多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)至少靜置5分鐘后，混合燃料各燃燒特性參數(shù)基本不變，即混合均勻。另外，為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)中對(duì)每種工況進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

屬性RP-3航空煤油甲烷化學(xué)式CmHnCH4分子量14516密度/(kg·m-3)806.0,@ 20℃0.678,@ 15℃粘度/(mm2·s-1)≥1.25,≤8.0-低熱值/(MJ·kg-1)≥42.850.0自燃溫度/℃﹥425650碳含量/%85.9775氫含量/%13.4325

當(dāng)量比φ定義為

(1)

式(1)中,F/A為實(shí)際的燃料與空氣質(zhì)量比； (F/A)st為理論燃燒時(shí)的燃料與空氣質(zhì)量比。

甲烷含量的計(jì)算公式為

(2)

式(2)中，VCH4、VRP-3均為甲烷、RP-3航空煤油氣態(tài)下的體積。

2 實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于球形擴(kuò)散火焰，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l可表示為火焰半徑對(duì)時(shí)間的變化率[12]。

(3)

式(3)中,r為照片中火焰的半徑，t為時(shí)間。

火焰拉伸率α為火焰表面上一個(gè)無(wú)限小面積的對(duì)數(shù)值對(duì)時(shí)間的變化率

(4)

式(4)中,A為火焰前鋒面積。

運(yùn)用球形的面積公式，式(4)還可以表示為

(5)

在火焰出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)之前且容彈內(nèi)壓力變化很小的情況下，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧胬炻士山瞥删€性關(guān)系[13]，即

Sl-Sn=Lbα

(6)

利用式(3)與式(5)可以求出Sn與α，將Sn-α直線倒推至α=0，則無(wú)拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俾蔛l可表示為直線在Sn軸上的截距，馬克斯坦長(zhǎng)度Lb可表示為直線的斜率取相反數(shù)。

根據(jù)在火焰前鋒面上的質(zhì)量守恒，有

Aρuul=AρbSl

(7)

式(7)中，ρu與ρb分別為未燃區(qū)與已燃區(qū)混合氣的密度，ρu由燃?xì)獾某跏紶顟B(tài)得到，ρb通過熱平衡計(jì)算得到。

密度比σ可表示為

σ=ρu/ρb

(8)

由式(7)可獲得層流燃燒速度ul

ul=(ρbSl)/ρu

(9)

進(jìn)而可得到火焰厚度δl=v/ul

δl=v/ul

(10)

式(10)中v為未燃?xì)怏w的運(yùn)動(dòng)粘度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

燃料在定容燃燒彈內(nèi)燃燒時(shí)伴隨著壓力和溫度的逐漸升高，要獲得某一條件下層流燃燒速度，只有在未燃區(qū)溫度和壓力變化很小的情況下才能進(jìn)行。Bradley[14]、Huang[15]和Lamoureux[16]等人研究表明，火焰半徑為6～25 mm時(shí)，燃燒火焰鋒面受初始點(diǎn)火能量及邊界壓力升高影響微弱，火核半徑自由發(fā)展。因此，本文在對(duì)火焰發(fā)展圖片進(jìn)行測(cè)量半徑分析時(shí)，所選火焰半徑將在6～25 mm之間。

3.1 當(dāng)量比對(duì)混合燃料燃燒穩(wěn)定性的影響

圖2給出了甲烷含量分別為20%和80%的CH4/RP-3航空煤油混合燃料在不同當(dāng)量比下點(diǎn)火燃燒后球形火焰發(fā)展圖片。從圖2a中可以看出，甲烷含量為20%時(shí)，當(dāng)量比0.8和1.0工況的火焰鋒面較為光滑;當(dāng)量比增加到1.2時(shí)，火焰發(fā)展末期火焰鋒面在點(diǎn)火電極兩側(cè)出現(xiàn)少許裂紋;而當(dāng)量比增加到1.4時(shí)，在火焰發(fā)展初期，火焰鋒面已經(jīng)出現(xiàn)突起和凹陷，火焰發(fā)展末期，火焰內(nèi)部呈現(xiàn)出明顯網(wǎng)格形胞狀結(jié)構(gòu)。而從圖2b中可以看出，甲烷含量為80%時(shí),當(dāng)量比0.8、1.0和1.2工況的火焰鋒面較為光滑;當(dāng)量比增加到1.4時(shí)，點(diǎn)火電極兩側(cè)才出現(xiàn)少許裂紋。由此可知，隨著當(dāng)量比增加，混合燃料燃燒穩(wěn)定性變差，另外，高甲烷含量混合燃料比低甲烷含量混合燃料燃燒更加穩(wěn)定。

圖2 不同當(dāng)量比下球形火焰?zhèn)鞑D片

拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾适侵冈诨鹧胬熳饔孟?，火焰鋒面相對(duì)于靜止燃燒壁面的運(yùn)動(dòng)速度。圖3給出了混合燃料拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑的變化規(guī)律。如圖3所示，甲烷含量為20%，當(dāng)量比小于1.3時(shí)，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑的增加而增加；當(dāng)量比大于1.3，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾示S火焰半徑的增加而減小。而當(dāng)甲烷含量為80%時(shí)，出現(xiàn)與之相似規(guī)律，臨界值出現(xiàn)在當(dāng)量比等于1.4?？梢姡瑑煞N甲烷含量混合燃料均出現(xiàn)隨當(dāng)量比增加，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑變化趨勢(shì)改變的現(xiàn)象，由此可知，當(dāng)量比影響火焰拉伸率，進(jìn)而影響拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑的變化規(guī)律。

本文采用馬克斯坦長(zhǎng)度表征火焰對(duì)拉伸的敏感程度。當(dāng)馬克斯坦長(zhǎng)度為正值時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S拉伸的增加而減小，因此當(dāng)火焰鋒面出現(xiàn)突起時(shí)，突起部分拉伸增加，其火焰?zhèn)鞑ニ俾蕦⒌玫揭种疲鹧孚呌诜€(wěn)定；反之，若馬克斯坦長(zhǎng)度為負(fù)值時(shí)，火焰趨于不穩(wěn)定[17]。

圖4給出了混合燃料馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的變化規(guī)律。如圖4所示，隨著當(dāng)量比增加，混合燃料馬克斯坦長(zhǎng)度逐漸減小，說明混合燃料燃燒穩(wěn)定性逐漸變差。另外，甲烷含量為20%時(shí)的混合燃料馬克斯坦長(zhǎng)度的斜率比甲烷含量為80%時(shí)的斜率大，兩條馬克斯坦長(zhǎng)度擬合曲線在當(dāng)量比1.2處出現(xiàn)交叉，說明低甲烷含量混合燃料燃燒穩(wěn)定性隨當(dāng)量比變化更為明顯。且當(dāng)量比小于1.2時(shí)，隨著甲烷含量增加，燃燒穩(wěn)定性變差，而當(dāng)量比大于1.2時(shí)，隨著甲烷含量增加，燃燒趨于穩(wěn)定，但由于此時(shí)馬克斯坦長(zhǎng)度值已接近于0，燃燒仍難于穩(wěn)定。

圖3 混合燃料拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S火焰半徑的變化

圖4 混合燃料馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的變化

火焰厚度和密度比是影響流體動(dòng)力學(xué)的主要因素，進(jìn)而影響燃燒穩(wěn)定性。圖5、圖6分別給出了混合燃料火焰厚度和密度比隨當(dāng)量比的變化規(guī)律，火焰厚度和密度比分別由公式(10)、公式(8)求得。如圖5、6所示，無(wú)論甲烷含量高低，隨著當(dāng)量比的增加，火焰厚度均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在當(dāng)量比1.1附近；密度比均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在當(dāng)量比為1.1時(shí)達(dá)到最大。

圖5 混合燃料火焰厚度隨當(dāng)量比的變化

圖6 混合燃料密度比隨當(dāng)量比的變化

對(duì)于定容燃燒試驗(yàn)，在火焰發(fā)展中后期，火焰厚度可定性預(yù)測(cè)火焰的穩(wěn)定性，火焰越厚，穩(wěn)定性越好。因此，當(dāng)當(dāng)量比小于1.1時(shí)，火焰厚度隨當(dāng)量比的增加而減小，火焰穩(wěn)定性趨勢(shì)減弱，而當(dāng)量比大于1.1時(shí)，火焰穩(wěn)定性增強(qiáng)。密度比的增加可導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性變差，當(dāng)量比小于1.1時(shí)，密度比隨當(dāng)量比增加而增加，火焰穩(wěn)定性變差；而當(dāng)量比大于1.1時(shí)，火焰穩(wěn)定性有所提高。所以，這兩種參數(shù)驗(yàn)證火焰穩(wěn)定性所得到的結(jié)論相同。另外，通過分析可知，高甲烷含量混合燃料火焰穩(wěn)定性較好。

相關(guān)研究表明，影響預(yù)混層流火焰燃燒穩(wěn)定性的因素除了流體動(dòng)力學(xué)外，還有體積力和熱擴(kuò)散因素。如圖2所示，預(yù)混火焰未出現(xiàn)明顯上浮，因此，可排除體積力對(duì)火焰不穩(wěn)定性影響，而熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性是由火焰前鋒面附近質(zhì)量相對(duì)于熱量的優(yōu)先擴(kuò)散引起的，強(qiáng)烈依賴于路易斯數(shù)。當(dāng)量比對(duì)混合燃料熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性影響將在今后工作中展開。

3.2 當(dāng)量比對(duì)混合燃料層流燃燒速率的影響

圖7給出了混合燃料火焰半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。如圖7所示，所有工況火焰半徑均隨時(shí)間增加而增加，且近似呈線性關(guān)系，由公式(3)可知，其斜率為拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?。從圖7中可以看出，隨著當(dāng)量比增加，兩種甲烷含量混合燃料的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且最大值出現(xiàn)在當(dāng)量比1.1附近，即偏濃混合氣一側(cè)，這與理論相符，說明當(dāng)量比影響拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖7 混合燃料火焰半徑隨時(shí)間的變化

圖8給出了混合燃料層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化規(guī)律，混合燃料層流燃燒速度可由公式(9)求得。如圖8所示，隨著當(dāng)量比增加，不同甲烷含量混合燃料層流燃燒速度均呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律。另外，甲烷含量對(duì)混合燃料層流燃燒速度略有影響。當(dāng)量比小于0.9時(shí)，80%甲烷含量混合燃料層流燃燒速度略高于20%甲烷含量混合燃料，而當(dāng)量比大于0.9時(shí)，20%甲烷含量混合燃料層流燃燒速度略高于80%甲烷含量混合燃料。

圖8 混合燃料層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化

理論分析可知，燃料層流燃燒速度受絕熱火焰溫度影響較大。由于甲烷體積熱值低，20%甲烷含量混合燃料絕熱火焰溫度要高于80%甲烷含量混合燃料。另外，相關(guān)研究表明，甲烷層流燃燒速度較低，因此，20%甲烷含量混合燃料層流燃燒速度要高于80%甲烷含量混合燃料。綜上分析可知，理論上，20%甲烷含量混合燃料層流燃燒速度應(yīng)高于80%甲烷含量混合燃料。而本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)當(dāng)量比小于0.9時(shí)，80%甲烷含量混合燃料層流燃燒速度略高于20%甲烷含量混合燃料，這與理論不符。因此，今后將進(jìn)一步開展當(dāng)量比對(duì)CH4/RP-3航空煤油混合燃料化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響，擬從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理角度解釋上述原因。

4 結(jié)論

本文采用定容燃燒實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)CH4/RP-3航空煤油混合燃料的火焰燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并分析了當(dāng)量比對(duì)混合燃料馬克斯坦長(zhǎng)度和層流燃燒速度等的影響規(guī)律，獲得如下結(jié)論：

(1)獲得當(dāng)量比0.7～1.5范圍混合燃料球形火焰發(fā)展圖片，分析可知，隨著當(dāng)量比增加，混合燃料燃燒穩(wěn)定性變差。

(2)隨著當(dāng)量比增加，兩種甲烷含量下混合燃料火焰厚度均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，密度比均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且臨界值為1.1，說明當(dāng)量比小于1.1時(shí)，火焰穩(wěn)定性趨勢(shì)減弱；當(dāng)量比大于1.1時(shí)，火焰穩(wěn)定性趨勢(shì)增強(qiáng)。

(3)隨著當(dāng)量比增加，混合燃料馬克斯坦長(zhǎng)度逐漸減小，說明混合燃料燃燒穩(wěn)定性逐漸變差，且低甲烷含量混合燃料燃燒穩(wěn)定性隨當(dāng)量比變化更為明顯。

(4)隨著當(dāng)量比增加，兩種甲烷含量混合燃料層流燃燒速度均呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律。當(dāng)當(dāng)量比小于0.9時(shí)，80%甲烷含量混合燃料層流燃燒速度略高于20%甲烷含量混合燃料，而當(dāng)量比大于0.9時(shí)，20%甲烷含量混合燃料層流燃燒速度略高于80%甲烷含量混合燃料。